可调整成像位置的抬头显示器的制作方法

1.本发明是有关于一种抬头显示器，且特别是有关于一种可调整成像位置的抬头显示器。


背景技术：

2.抬头显示器(head-up display，hud)可用来将行车数据(例如车速、油量、导航信息等内容)显示在驾驶人的眼睛前方的可视范围内，使得驾驶人能同时看到抬头显示器的投射图像与车辆前方的状况。
3.现有的抬头显示器的观看角度无法配合不同高度的使用者调整，造成驾驶的不便及安全上的疑虑。再者，不同身高的使用者看到的投射图像的角度差异很大，以致于身高过高或过矮的人看到的图像信息位置将有所偏差，导致无法将图像信息与实境景象结合以实现扩充实境。


技术实现要素：

4.本发明是有关于一种可调整成像位置的抬头显示器，以配合不同高度的使用者观看。
5.根据本发明之一方面，提出一种可调整成像位置的抬头显示器，包括一图像产生模块、一反射镜、一全息衍射光学元件以及一控制单元。图像产生模块用以显示一图像，并投射出图像的图像光。反射镜用以反射图像的图像光，且图像经由反射镜投射至一透明屏幕上。全息衍射光学元件设置于透明屏幕上，用以反射图像至一使用者的眼睛的可视范围内，使得使用者看到图像的一虚像。控制单元耦接反射镜或透明屏幕，使全息衍射光学元件与反射镜具有一预定角度，用以调整全息衍射光学元件的读取角度。
6.根据本发明之一方面，提出一种可调整成像位置的抬头显示器，包括一图像产生模块、一反射式光学元件、一全息衍射光学元件、一控制单元以及一全息读取角度调整机制。图像产生模块用以显示一图像，并投射出图像的图像光。反射镜用以反射图像的图像光，且图像经由反射镜投射至一透明屏幕上。全息衍射光学元件设置于透明屏幕上，用以反射图像至一使用者的可视范围内，使得使用者看到图像的一虚像。控制单元耦接反射式光学元件，使全息衍射光学元件与反射式光学元件具有一预定角度，用以调整全息衍射光学元件的读取角度。全息读取角度调整机制用以电性连接反射式光学元件与控制单元，藉由控制单元驱动全息读取角度调整机制，使入射反射式光学元件的光线反射至全息衍射光学元件。
7.以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
8.图1示出依照本发明第一实施例的可调整成像位置的抬头显示器的示意图，其中反射镜位于第一位置。
9.图2示出依照本发明第一实施例的可调整成像位置的抬头显示器的示意图，其中反射镜位于第二位置。
10.图3示出制作光栅结构于全息衍射光学元件的示意图。
11.图4示出依照本发明另一实施例的全息读取角度调整机制的示意图。
12.图5及图6分别示出依照本发明另一实施例的全息读取角度调整机制的示意图。
13.图7示出依照本发明一实施例的全息读取角度调整机制的判断流程示意图。
14.附图标记
15.110：图像产生模块
16.120：反射镜
17.130：全息衍射光学元件
18.140：控制单元
19.150：人眼追踪单元
20.102：透明屏幕
21.122：转轴
22.104：转轴
23.142：反射式光学元件
24.144：空间光调制器
25.vm1、vm2：虚像
26.r1：第一图像光
27.r2：第二图像光
28.l0：照物光
29.lf1：第一参考光
30.lf2：第二参考光
31.δθ：读取角度
32.δθs：角度差
33.e：眼睛
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
35.以下提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。以下是以相同/类似的符号表示相同/类似的元件做说明。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
36.依照本发明的一实施例，提出一种可调整成像位置的抬头显示器，以配合不同高度的使用者观看。此种可调整成像位置的抬头显示器利用全息光栅特性及可变读取角度的原理，设计全息衍射光学元件的读取角度，并通过全息读取角度调整机制来改变入射光束的光轴角度。
37.在一实施例中，图像产生模块(例如液晶显示器)可通过上述的全息衍射光学元件产生一虚像，使得使用者于一观看角度观看该虚像。然而，不同身高的使用者看到的虚像的
角度差异很大，以致于身高过高或过矮的人看到的图像信息位置(即虚像成像位置)将有所偏差。由于全息衍射光学元件有限的全息读取角度，一旦使用者的观看角度大于全息读取角度时，使用者将无法看到虚像，也就是说，当使用者的坐姿改变或换成不同身高的使用者驾驶时，抬头显示器必须通过该全息读取角度调整机制调整全息衍射光学元件的读取角度，让不同身高的使用者观看虚像时的观看角度同步产生改变，才能清楚看到虚像。
38.在一实施例中，此种可调整成像位置的抬头显示器在重建图像时，全息衍射光学元件可让特定波长的入射光(即图像的荧光波长)反射并进行衍射成像，而其他波长的外界景物光可完全穿透全息衍射光学元件，使得驾驶人能同时看到图像产生模块的投射图像与车辆前方的状况，以实现扩充实境。
39.请参照图1及图2，其分别示出依照本发明第一实施例的可调整成像位置的抬头显示器100的示意图。可调整成像位置的抬头显示器100包括一图像产生模块110、一反射镜120、一全息衍射光学元件130以及一控制单元140。图像产生模块110用以显示一图像，并投射出图像的图像光。反射镜120用以反射图像的图像光，且图像经由反射镜120投射至一透明屏幕102上。全息衍射光学元件130设置于透明屏幕102上，全息衍射光学元件130与反射镜120具有一预定角度，用以反射图像至使用者的眼睛e的可视范围内，使得使用者看到图像的一虚像vm1或vm2。控制单元140耦接反射镜120，用以调整全息衍射光学元件130的读取角度。
40.在一实施例中，图像产生模块110可为光机模块、液晶显示器或微型led显示器等，可设置于透明屏幕102下方的中控平台。图像产生模块110用以朝透明屏幕102投射出图像，以使图像的虚像vm1或vm2位于使用者的眼睛e的可视范围内。在一实施例中，透明屏幕102例如为车辆挡风玻璃或称为结合器(combiner)的分光镜。
41.在一实施例中，反射镜120例如为一可旋转的反射镜120，其一端具有转轴122，控制单元140可控制转轴122的旋转角度，使反射镜120移动至图1的第一位置或图2的第二位置，并使特定波长的图像光r1、r2(即图像的荧光波长)以不同光轴角度入射至全息衍射光学元件130，如图1所示的第一图像光r1及图2所示的第二图像光r2。在图1中，第一图像光r1经由反射镜120反射后投射至透明屏幕102上，再反射至使用者的眼睛e，使得使用者能看到图像的虚像vm1。在图2中，当使用者的眼睛e位置改变，且使用者的观看角度大于全息读取角度时，使用者将无法看到图1中所示的图像的虚像vm1，此时，控制单元140可控制转轴122的旋转角度，使第二图像光r2经由反射镜120反射后投射至透明屏幕102上，再反射至使用者的眼睛e，使得使用者能看到图像的虚像vm2。同时，在图1及图2中，虚像vm1、vm2的成像位置也会因转轴122的旋转角度改变而移动到不同位置，以配合不同身高的使用者观看。
42.在一实施例中，全息衍射光学元件130设置于透明屏幕102上，全息衍射光学元件130包括一第一光栅结构以及一第二光栅结构，第一光栅结构具有一第一全息读取角度，第二光栅结构具有一第二全息读取角度，第一全息读取角度与第二全息读取角度不相同，例如相差一预定角度(5度～20度或更大)，以避免造成读取干扰。在图1中，第一光栅结构适配于第一图像光r1的光轴角度。在图2中，第二光栅结构适配于第二图像光r2的光轴角度。
43.请参照图3，其示出制作光栅结构于全息衍射光学元件130的示意图。在制作全息衍射光学元件130的第一光栅结构时，利用第一参考光lf1与照物光l0产生干涉条纹，并将其记录在感光材料上，再通过显影而制成第一光栅结构。同理，在制作全息衍射光学元件
130的第二光栅结构时，利用第二参考光lf2与照物光l0产生干涉条纹，并将其记录在感光材料上，再通过显影而制成第二光栅结构。上述参考光例如为平行光或球面波，而照物光l0例如为平行光或球面波。第一参考光lf1与第二参考光lf2之间具有一角度差δθs，此角度差δθs需大于全息读取角度调整机制的角度选择特性，以避免两参考光lf1、lf2间的读取干扰。在一实施例中，上述两参考光间的角度差δθs大于λ/tsin(θ)，其中λ为参考光的波长，t为全息衍射光学元件130的厚度，而θ为参考光与照物光l0之间的干涉角。
44.在重建图像时，调整第一图像光r1，使其与第一参考光lf1具有相同的光轴角度，或调整第二图像光r2，使其与第二参考光lf2具有相同的光轴角度，如此，当第一图像光r1投射在第一光栅结构上时，可对第一图像光r1产生衍射并重建原来的图像，而当第二图像光r2投射在第二光栅结构上时，可对第二图像光r2产生衍射并重建原来的图像。
45.因此，本实施例的抬头显示器100可通过上述的全息读取角度调整机制，调整全息衍射光学元件130的图像光的光轴角度，以对图像产生衍射，进而让使用者观看虚像vm时的观看角度同步产生改变。
46.请参照图1及图2，本实施例的抬头显示器100更可包括一人眼追踪单元150，耦接控制单元140。人眼追踪单元150提供一人眼位置信号至控制单元140，控制单元140根据人眼位置信号自动调整全息衍射光学元件130的读取角度。也就是说，光栅结构的第一全息读取角度及第二全息读取角度取决于使用者的眼睛e观看虚像vm1或vm2时的位置(即人眼位置)。当然，若未安装人眼追踪单元150，使用者可手动控制控制单元140(例如旋钮)，以调整全息衍射光学元件130的读取角度。此时，第一全息读取角度及第二全息读取角度取决于图像投射在全息衍射光学元件130上的光轴角度(即第一图像光r1与第二图像光r2的光轴角度)。
47.请参照图4，其示出依照本发明另一实施例的全息读取角度调整机制的示意图。在一实施例中，透明屏幕102例如为一可旋转的结合器，其具有一转轴104，控制单元140(例如马达)可控制转轴104的旋转角度，使特定波长的图像光(即图像的荧光波长)以不同光轴角度入射至全息衍射光学元件130。
48.其中，全息衍射光学元件130包括一第一光栅结构以及一第二光栅结构，第一光栅结构具有一第一全息读取角度，第二光栅结构具有一第二全息读取角度，详细内容如上所述，在此不再赘述。因此，本实施例的抬头显示器100可通过上述的全息读取角度调整机制，调整全息衍射光学元件130的图像光的光轴角度，进而让使用者观看虚像时的观看角度同步产生改变。
49.请参照图5及图6，其分别示出依照本发明另一实施例的全息读取角度调整机制的示意图。除了上述以反射镜120或透明屏幕102调整全息读取角度之外，亦可采用反射式光学元件142(如图5所示)或空间光调制器(spatial light modulator,slm)144(如图6所示)来机械式或电性调整全息读取角度。在图5中，反射式光学元件142例如为扫描振镜(galvo-mirror)或微机电(mems)扫描镜，其中反射式光学元件142例如由x-y光学扫描头、电子驱动放大器和光学反射镜片组成。控制单元140提供的信号通过电子驱动放大器驱动x-y光学扫描头，因而在x-y平面控制图像光r1或r2的偏转角度。在图6中，空间光调制器144例如为另一个全息衍射光学元件或液晶显示元件等。
50.空间光调制器144可进行程控编写不同的旋转角度改变量，并可针对实像不同区
域进行不同角度编写。空间光调制器144可以是反射式液晶元件(例如电控硅基液晶元件)或是透射式液晶元件。当空间光调制器144是透射式液晶元件时，空间光调制器144与挡风玻璃之间则会再配置一反射镜，反射镜上可配置全息衍射光学元件，全息衍射光学元件可为角度多工的布拉格光栅，故可将图像光r1或r2由空间光调制器144投射至挡风玻璃。当空间光调制器144是反射式液晶元件时，因已具备反射功能，故不再额外配置反射镜。
51.于空间光调制器144中亦可编写入一相差修正参数(phase aberration correction)，针对全息衍射光学元件130于不同角度下产生的相差进行光学的细部修正，相差修正例如可针对不同区域进行。因此，本实施例的抬头显示器100可藉由空间光调制器144对不同视角的全息读取产生的相差进行修正。
52.请参照图7，其示出依照本发明一实施例的全息读取角度调整机制的判断流程示意图。在步骤s100及s101中，自动追踪人眼位置或使用者确认人眼位置。在步骤s102中，判断全息衍射光学元件130的合适读取角度。在步骤s103中，判断读取角度δθ是否超过记录时的角度选择特性，即读取角度δθ是否大于第一参考光lf1与第二参考光lf2之间的角度差δθs。在步骤s104中，若读取角度δθ小于角度差δθs，维持反射镜120或透明屏幕102的角度，接着，在步骤s105中，针对全息衍射光学元件130于不同角度下产生的相差进行光学的细部修正。在步骤s106中，若读取角度δθ大于角度差δθs，调整反射镜120或透明屏幕102的角度至合适角度，接着，在步骤s107中，针对全息衍射光学元件130于不同角度下产生的相差进行光学的细部修正。在步骤s108中，例如以反射式光学元件142或空间光调制器144来调整全息读取角度。在步骤s109中，使虚像的成像位置移动到合适的观看位置。
53.本发明上述实施例的可调整成像位置的抬头显示器，可避免因传统的抬头显示器的观看角度无法配合不同高度的使用者调整，而造成驾驶的不便及安全上的疑虑。再者，上述实施例的可调整成像位置的抬头显示器利用全息光栅特性及可变读取角度的原理，让特定波长的图像光(即图像的荧光波长)反射并产生衍射的图像，而其他波长的外界景物光可完全穿透全息衍射光学元件，使得驾驶人能同时看到图像产生模块的投射图像与车辆前方的状况，以实现扩充实境。
54.当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。